Varomosios jėgos tobulinimas: kaip mes nukelsime žmones į Marsą

Kadangi pastarosios misijos į Marsą, tokios kaip NASA Perseverance, JAE Hope ir Kinijos Tianwen-1, buvo didžiulės sėkmės, jums gali būti atleista, kad galvojate, kad patekti į Marsą lengva. Tačiau yra didelis skirtumas tarp marsaeigio ar orbitos siuntimo į raudonąją planetą ir infrastruktūros bei technologijų siuntimo, kurių mums prireiks, kad joje būtų sukurtas žmogus.

Cheminė varomoji jėga galėjo nuvesti mus į Saulės sistemą, bet į kitą žmogaus fazę kosmoso tyrinėjimui, mums reikės naujų varomųjų technologijų, kurios papildytų tas, kurias naudojome pastaruosius 50 metų. Norėdami sužinoti daugiau apie tai, kaip gali atrodyti įgulos ekspedicijos į Marsą variklis, kalbėjomės su Kareemu Ahmedu, docentu. Centrinės Floridos universiteto Mechanikos ir kosmoso inžinerijos katedra ir pažangiausių raketų varymo ekspertas sistemos.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse10 dalių serija, kurioje tyrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą

Senas patikimas: dabar naudojamos cheminės varomosios sistemos

Norint išsiųsti raketą, praskriejančią per Žemės atmosferą ir į kosmosą už jos ribų, reikia daug stūmos. Turite atremti ne tik Žemės atmosferos trintį, bet ir didelę gravitacijos jėgą, kuri traukia objektus atgal į žemę.

Nuo šeštojo dešimtmečio mes naudojome tą patį pagrindinį principą varyti raketas, vadinamą cheminiu varikliu. Iš esmės jūs uždegate raketinį kurą (kuro ir oksidatoriaus mišinį), kuris sukuria šilumą. Dėl šios šilumos raketos viduje esanti medžiaga plečiasi, kuri vėliau išstumiama iš raketos galo. Šis raketinio kuro išstūmimas sukuria trauką, kuri stumia raketą aukštyn su didžiule jėga ir ši jėga leidžia jai įveikti gravitacijos poveikį ir ištrūkti į erdvę už mūsų planetos ribų.

„Cheminė varomoji jėga tiesiog prideda šilumą raketiniams kurams tikrai greitai. Tas raketinis kuras, kai jį paleidžiate esant tikrai dideliam karščiui, jis plečiasi labai dideliu greičiu“, – paaiškino Ahmedas. „Tas greitis priklauso nuo to, kiek šilumos įdedate. Taigi pagalvokite, kad sprogimo metu turite didelį kiekį dujų, kurios greitai juda. Ir tai yra greitis“.

Tai yra didelis cheminės pavaros pranašumas, palyginti su kitais svarstomais varymo būdais: greitis. Cheminė varomoji jėga padeda raketoms skristi tikrai labai greitai. Tačiau tai ne visada yra pats efektyviausias pasirinkimas.

„Pagalvokite apie tai kaip „Prius“ prieš „Corvette“, - sakė Ahmedas. „Jei norite labai greitai patekti iš taško A į tašką B, sunku įveikti cheminę varomąją jėgą. Tačiau, kai norite būti efektyvesni, kitos varomosios sistemos gali būti tinkamos. „Jei bandote patekti iš taško A į tašką B priimtinu greičiu, bet dideliu efektyvumu, cheminė varomoji jėga gali būti netinkama priemonė.

Cheminių varomųjų sistemų tobulinimas

Cheminio varymo principas galėjo išlikti toks pat pastaruosius kelis dešimtmečius, bet tai nereiškia, kad technologija nėra tobulinama, pavyzdžiui, įvairių tipų tyrimai degalų.

Kuro rūšių efektyvumas priklauso nuo energijos tankio – kiek energijos gali sukaupti tam tikras kuro kiekis. Štai kodėl sunku naudoti tokį dalyką kaip vandenilis kaip kurą, nors jis cheminių reakcijų metu išskiria daug šilumos, nes jis toks lengvas ir mažo tankio. Sunku laikyti daug vandenilio nedidelėje erdvėje, todėl tai nėra labai efektyvus kuras.

Dabartinėse raketose dažniausiai naudojamas žibalo pagrindu pagamintas kuras – iš esmės tas pats, kas ir reaktyviniai degalai, tačiau šiuo metu didžiausias susidomėjimas yra metano arba gamtinių dujų kuro. Šis kuras nebūtinai būtų veiksmingesnis kaip raketinis kuras, bet būtų gerokai pigesnis, nes gamtinių dujų gausu ir jau turime jų surinkimo technologiją.

„Jei SpaceX galėtų naudoti gamtines dujas savo Falcon 9 skraidymui, jie turėtų daug sutaupyti ir todėl paspartintų kosmoso tyrinėjimą“, – pavyzdį sakė Ahmedas. „Jei mums pavyktų sumažinti išlipimo į išorinę orbitą išlaidas, mums erdvė būtų lengviau pasiekiama.

Kita tyrimų sritis – pačių variklių tobulinimas. Ahmedo komanda yra viena iš kelių grupių, dirbančių su sistema, vadinama besisukančiu detonaciniu raketiniu varikliu, kuri gali generuoti daugiau galios naudojant mažiau degalų, palyginti su tradiciniais varikliais.

Kruopščiai kontroliuojant į variklį tiekiamo vandenilio ir deguonies kiekį, galima efektyviau sukurti slėgį. Tai gali sumažinti raketinio variklio dydį, nes nebereikia labai galingo kompresoriaus, be to, jis naudoja kurą efektyviau. Šią technologiją netrukus bus galima naudoti: Ahmedas sako, kad JAV oro pajėgos planuoja išbandyti tokį variklį iki 2025 m.

Kodėl cheminis varymas niekur nedingsta

Norint pakilti iš Žemės, būtina cheminė varomoji jėga. „Nuo žemės lygio cheminė varomoji jėga tampa labai svarbi, nes jums reikia tiek galios, kad nustumtumėte tą svorį nuo žemės iki didesnio aukščio. Norėdami įveikti gravitacijos jėgą“, – paaiškino Ahmedas.

Jis pateikė „SpaceX“ pavyzdį. Kai bendrovė paleidžia raketą, kodėl ji nenaudoja tokios elektros sistemos, kokią naudoja Tesla? Abi bendrovės priklauso tam pačiam asmeniui Elonui Muskui, todėl jos tikrai galėtų dalytis technologijomis. Tačiau elektrinė varomoji sistema negali sukurti tiek traukos, kiek reikia raketai pakilti nuo žemės – ji paprasčiausiai negamina pakankamai galios.

Taigi artimiausioje ateityje turėsime ir toliau naudoti cheminę varomąją jėgą raketoms paleisti. Tačiau tai pasikeičia, kai raketa patenka į orbitą. Įveikęs Žemės gravitaciją ir patekęs į kosmosą, tai panašu į pastovaus greičio palaikymo valdymą. Norint valdyti erdvėlaivį erdvėje, reikia palyginti nedidelės traukos jėgos, nes nėra oro trinties ar gravitacinės traukos žemyn. Jūs netgi galite pasinaudoti gravitacinėmis jėgomis iš netoliese esančių planetų ir mėnulių.

Taigi efektyvesnėms operacijoms gali padėti kitokia varomoji sistema.

Veiksmingesnis pasirinkimas: elektrinė varomoji jėga

Kai raketa atsiduria orbitoje, jai dažnai teks keisti trajektoriją – nedidelius koregavimus, kad būtų galima pakoreguoti jos greitį ir užtikrinti, kad ji judėtų tinkama kryptimi. Tam reikalinga traukos sistema. „Jums reikia tūkstančių niutonų, kad galėtumėte skristi transporto priemone, išlipti iš nulinio greičio būsenos, ją pakilti ir įveikti jūsų nešamo svorio gravitacinę jėgą. Štai kodėl jums reikia didelės, didelės raketų sistemos. Tačiau išorinėje orbitoje jūs nebeturite gravitacijos jėgų, turinčių jums įtakos, jūs tiesiog turite savo galutinį greitį, kurį bandote įveikti“, – aiškino Ahmedas.

Ir yra daugybė būdų, kaip sukurti jėgą, reikalingą erdvėlaivio kursui reguliuoti. „Trava yra trauka“, - sakė jis. „Jūs švirkščiate masę. Išmetate masę, todėl ji juda priešinga kryptimi. Tai masės kiekis ir tai, kaip greitai tą masę išeikvojate.

Technologija, dažnai naudojama mažuose palydovuose arba mažuose palydovuose, yra elektrinė varomoji jėga. Jie naudoja elektros energiją (dažnai surenkamą naudojant saulės baterijas), kad jonizuotų dujinį raketinį kurą. Tada šios jonizuotos dujos išstumiamos iš palydovo galo naudojant elektroninį arba magnetinį lauką, sukuriant trauką, kuri judina erdvėlaivį.

Tai itin efektyvi sistema, kuri gali naudoti iki 90% mažiau degalų nei cheminis varymas.

„Jei naudojate elektrinį varymą, jūsų masė yra labai maža ir jums tikrai nereikia didelio greičio, kad suteiktų trauką“, - sakė Ahmedas. O elektroninės varymo sistemos gali jonizuoti praktiškai bet kokią medžiagą, todėl gali dirbti su viskuo, kas yra.

Dramblys kambaryje: Branduolinė varomoji jėga

Žmonėms dažnai nepatinka idėja apie branduolinę energiją kosmose. Be abejo, yra saugumo problemų, į kurias reikia atsižvelgti naudojant branduolinę energiją, ypač atliekant įgulos misijas. Tačiau branduolinis variklis gali būti tiesiog tūzas, leidžiantis aplankyti tolimas planetas.

„Branduolinė energija iš tikrųjų yra labai efektyvi“, - paaiškino Ahmedas. Branduolinė varomoji sistema veikia per reaktorių, kuris generuoja šilumą, kuri vėliau naudojama raketiniam kurui šildyti, kuris išstumiamas sukuriant trauką. Jis naudoja šį raketinį kurą daug efektyviau nei cheminė varomoji jėga.

Ir tai yra tvaru, o tai yra didelė jo nauda. „Sistema, pagrįsta cheminėmis medžiagomis, jūs deginate raketinį kurą ir jį išeikvojate, ir jūs jo nebeturite“, – sakė Ahmedas. „Tu išleidai tą energiją ir ją praradai. Palyginti su branduoline sistema, uranas arba plutonis, kurį ketinate naudoti, yra ir neišnyks. Tai tvaru, jei prižiūrite savo pagrindinį reaktorių.

Nors ši reakcija yra tvari, tačiau jos generuojama šiluma vis tiek turi būti nukreipta į masę. Jūs nenorėtumėte išnaudoti reakcijoje naudojamo urano ar plutonio. Naudinga tai, kad šildoma medžiaga gali būti praktiškai bet kokia dujinė arba kieta, tačiau geriau naudoti dujas, nes jos geriau reaguoja į šilumą.

Kosmose nereikia naudoti dujų, todėl jų vis tiek turėsite pasiimti su savimi. Tačiau planetoje su atmosfera, pavyzdžiui, Marse, teoriškai kaip raketinį kurą galėtumėte naudoti lengvai prieinamas dujas, tokias kaip anglies dioksidas.

NASA šiuo metu tiria branduolines varomąsias sistemas, skirtas specialiai misijoms į Marsą. „NASA tikslas – kiek įmanoma sutrumpinti įgulos kelionės tarp Žemės ir Marso laiką iki dvejų metų. Kosminės branduolinės varomosios sistemos galėtų sutrumpinti bendrą misijos laiką ir suteikti daugiau lankstumo bei efektyvumo misijų projektuotojams“, – sakė agentūra. rašė apie branduolines sistemas. Tačiau dar nebuvo priimta jokių tvirtų sprendimų. „Dar per anksti pasakyti, kokia varomoji sistema nuves pirmuosius astronautus į Marsą, nes vis dar reikia daug patobulinti kiekvienam požiūriui.

Tai ne vienas ar kitas; visa tai yra aukščiau

Mes vis dar labai pradedame planuoti komandinę misiją į Marsą. Planuodami tolesnius veiksmus turime atsižvelgti į praktinius reikalavimus ir tokius veiksnius kaip išlaidos.

Ahmedas nemano, kad viena varomoji sistema pasirodys labai pranašesnė už kitas. Vietoj to jis įsivaizduoja skirtingų sistemų derinį, naudojamą pagal konkrečius misijos poreikius.

„Sakyčiau, kad reikės visų trijų sistemų“, – paaiškino jis. „Jūs neturite tobulos varomosios sistemos, kuri atitiktų visas jūsų misijas. Nors cheminę varomąją jėgą galima naudoti bet kuriai misijai, taip yra ne visada tinkama – jis palygino tai su patekimu į gretimą pastatą naudojant „Ferrari“ ir iššvaistant krūvą degalų, kai gali tiesiog vaikščioti.

Įgulos misijoms į Marsą „turėsite naudoti branduolinę energiją, elektrą ir cheminę medžiagą, be kurios neišsiversite“, - sakė jis. Pavyzdžiui, galite naudoti elektrinę varomąją sistemą kroviniams gabenti, pavyzdžiui, buveinėms, naudoti branduolinį variklį sukurti patikimą relių sistemą tarp Žemės ir Marso, o tada siųsti savo astronautus naudojant cheminę varomąją jėgą sistema. Taip yra todėl, kad žmonės iš esmės yra didelė aparatūros dalis. "Mūsų masė nėra lengva!" jis pasakė. „Mes esame nemaža masė, net ir vos keliems darbuotojams. Todėl jums reikia tos cheminės jėgos.

Ar mes pasiruošę Marsui?

Yra daug sudėtingų dalykų, susijusių su įgulos misijos į Marsą organizavimu. Tačiau kalbant apie varomąsias sistemas, turime technologiją, kuri leidžia rytoj ten nusiųsti misiją.

„Tradiciniai šeštojo dešimtmečio raketų varikliai nuves jus ten“, - sakė Ahmedas. Ribojantis veiksnys pasirodo esąs kažkas proziškesnio. „Klausimas, kiek tai jums kainuos“.

Raketų siuntimas į Marsą naudojant chemines varomąsias sistemas yra tiesiog labai labai brangus. Ir nors yra ir visuomenės, ir akademinis apetitas daugiau tyrinėti Marsą, pinigų suma tokiai misijai nėra begalinė. Todėl turėsime kurti ir naudoti tokias technologijas kaip elektrinės ar branduolinės varomosios sistemos, kad žvalgyba būtų prieinamesnė.

Net ir naudojant cheminį varomąjį variklį, technologijų, pvz., rotacinių detonacinių variklių ar naujų degalų, patobulinimai gali padėti sumažinti išlaidas, o tai paskatins daugiau tyrinėti. „Iššūkis yra kurti inžinerines sistemas, kurios yra ekonomiškesnės nei dabartinės raketų sistemos“, – sakė jis. „50-ojo dešimtmečio technologija nuves jus į Marsą be problemų. Tai tiesiog super, labai brangu. Ir niekas nenorės už tai mokėti. Tačiau technologijos yra“.

Redaktorių rekomendacijos

• Kosmologinė kelionė į darbą ir atgal: sudėtinga logistika, kai žmonės iškeliauja į Marsą
• Astropsichologija: kaip išlikti sveiko proto Marse
• Elektrinės kitose planetose: kaip mes gaminsime elektrą Marse
• Derliaus nuėmimas: kaip būsimieji naujakuriai kurs ir rinks vandenį Marse
• Astroagrikultūra: kaip auginsime pasėlius Marse